Экспериментальные данные при снятии внешней характеристики генератора постоянного тока (rвconst, nnнconst)

Параллельное возбуждение	I, А
	U, В
	Iв, мА
	ΔU, %
Смешанное возбуждение (согласное включение обмоток)	I, А
	U, В
	Iв, мА
	ΔU, %
Смешанное возбуждение (встречное включение обмоток)	I, А
	U, В
	Iв, мА
	ΔU, %

В) При снятии регулировочной характеристики для каждого способа возбуждения при отключенной нагрузке (I0) установить регулировочным реостатом RR на зажимах генератора номинальное напряжение U_н230 В и далее поочередно подключать нагрузочные сопротивления R1…R4. На каждой ступени нагрузки регулировать реостатом RR ток возбуждения I_в таким образом, чтобы напряжение генератора оставалось равным номинальному значению: UU_н. Для всех ступеней, включая режим холостого хода, результаты измерений токов нагрузки I и возбуждения I_в занести в табл. 3.3.

При снятии регулировочной характеристики для смешанного возбуждения со встречным включением обмоток нагружать генератор до тех пор, пока с помощью регулировочного реостата RR можно будет поддерживать номинальное напряжение генератора.

Таблица 3.3

Экспериментальные данные при снятии регулировочной характеристики генератора постоянного тока (U=U_н=230 В const, nn_нconst)

Параллельное возбуждение	I, А
	Iв, мА
Смешанное возбуждение (согласное включение обмоток)	I, А
	Iв, мА
Смешанное возбуждение (встречное включение обмоток)	I, А
	Iв, мА

7. По данным табл. 3.1 построить характеристику холостого хода U₀f(I_в) генератора постоянного тока. Для получения характеристики, проходящей через начало координат, необходимо экстраполировать снятую зависимость до пересечения с осью абсцисс (рис. 3.4) и сместить ее по этой оси на величину I_в (выполняется по указанию преподавателя).

8. По данным табл. 3.2 построить в одной системе координат внешние характеристики генератора Uf(I) с параллельным и смешанным (при согласном и встречном включении обмоток Ш1–Ш2 и С1–С2) возбуждением. Сопоставить и проанализировать эти характеристики.

Исследовать влияние тока нагрузки на снижение напряжения на зажимах генератора при различных способах возбуждения. Определить относительное изменение напряжения в процентах на всех ступенях нагрузки генератора по формуле (3.5). Результаты расчета занести в табл. 3.2.

9. По данным табл. 3.3 построить в одной системе координат регулировочные характеристики If(I_в) генератора с параллельным и смешанным возбуждением (при согласном и встречном включении обмоток Ш1–Ш2 и С1–С2). Сопоставить и проанализировать эти характеристики.

10. Сделать выводы по лабораторной работе.

Контрольные вопросы:

1. Объясните устройство и принцип действия генератора постоянного тока.

2. Какую роль выполняет щеточно-коллекторный узел в генераторе постоянного тока?

3. Как установлены щетки, если они «находятся» на линии геометрической нейтрали?

4. Как классифицируются генераторы постоянного тока по способу соединения обмоток возбуждения с цепью якоря?

5. От чего зависит величина напряжения на зажимах генератора при холостом ходе?

6. При каких условиях возможно самовозбуждение генератора постоянного хода?

7. Напишите формулы, характеризующие работу генератора постоянного тока с параллельным возбуждением.

8. Какое уравнение характеризует электрическое состояние якоря генератора с параллельным возбуждением?

9. Составьте уравнение баланса мощностей генератора постоянного тока с параллельным возбуждением.

10. Как рассчитать мощность нагрузки генератора постоянного тока ?

11. Что представляет собой характеристика холостого хода генератора, и каково ее значение?

12. Как по характеристике холостого хода можно определить величину остаточного магнитного потока генератора?

13. Как снимается характеристика характеристики холостого генератора опытным путем?

14. Что такое реакция якоря и как она отражается на работе генератора?

15. Какую роль играет последовательная обмотка возбуждения в генераторе со смешанным возбуждением при согласном и встречном включении с параллельной обмоткой?

16. Укажите причины уменьшения напряжения на зажимах генератора с параллельным возбуждением при увеличении нагрузки.

17. Что называется регулировочной характеристикой генератора постоянного тока и какое ее практическое значение?

18. Как снимается регулировочная характеристика генератора опытным путем?

19. С какой целью и где устанавливаются добавочные полюсы?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы:

1.Ознакомиться с устройством и принципом работы двигателя постоянного тока.

2. Исследовать механические характеристики электропривода постоянного тока с двигателем параллельного возбуждения.

Основные теоретические положения

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных и других установках, где требуется широкое и плавное регулирование частоты вращения (электроприводы прокатных станов, мощных металлорежущих станков, тяговый электропривод и др.). Конструктивно двигатели и генераторы постоянного тока практически не отличаются (см. рис. 3.1,а).

Двигатели постоянного тока выполняют с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Принцип действия двигателя постоянного тока. Двигатель постоянного тока предназначен для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию. Рассмотрим для конкретности принцип действия двигателя параллельного возбуждения. Если на его выводы подать постоянное напряжение U, то в цепях обмоток возбуждения и якоря двигателя возникнет ток (рис. 4.1). Обмотка возбуждения создает магнитное поле возбуждения (на рис. 4.1  – поток главного полюса), которое оказывает силовое действие на проводники с током I_а обмотки якоря. В двигателе постоянного тока, как и в генераторе, щеточно-коллекторный узел разбивают обмотку якоря на параллельные ветви. Когда щетки расположены на линии геометрической нейтрали, ток якоря под северными полюсами имеет одно направление, под южными – противоположное. Благодаря этому, электромагнитные силы F_эм под всеми полюсами имеют одинаковое направление и создают момент М_эм, приводящий якорь во вращение с частотой n.

При вращении в якоре наводится ЭДС E, направление которой неизменно относительно неподвижных щеток, к которым приложено постоянное напряжение U, и противоположно току.

Рис.4.1. Принцип действия двигателя постоянного тока

ЭДС и электромагнитный момент двигателя определяются теми же, что и в генераторе выражениями (3.1) и (3.2). Мощность P, вращающий момент M на валу и частота вращения n (об/сек) двигателя связаны известными из механики соотношениями

PM2nM. (4.1)

В соответствии со 2-м законом Кирхгофа уравнение электрического равновесия цепи якоря для двигателя имеет вид:

UEI_аr_а. (4.2)

В выражении (4.2) все величины имеют тот же смысл, что и в (3.3).

Как следует из этого выражения, в двигательном режиме ЭДС меньше напряжения на якоре. В момент подачи напряжения сила тока в якоре максимальна, так как ротор неподвижен (n0) и противоЭДС E0. По мере разгона двигателя противоЭДС увеличивается, как это видно из (3.1), и сила тока в якоре в соответствии с выражением (4.2) уменьшается. Увеличение частоты вращения двигателя будет продолжаться до тех пор, пока его вращающий момент не станет равным моменту сопротивления нагрузки на валу (М_двМ_сопр). Механическая мощность, передаваемая через вал рабочей машине, компенсируется электрической мощностью, поступающей от источника постоянного тока.

Уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. Если решить относительно частоты вращения систему из уравнений (3.1) и (4.2), то получим выражение электромеханической (токоскоростной) характеристики:

, (4.3)

где R_рег – сопротивление регулировочного реостата в цепи якоря (если он имеется).

Выразим силу тока якоря через электромагнитный момент согласно выражению (3.2) [I_a=M/(c_MФ)] и после подстановки ее в (4.3), придем к уравнению механической характеристики nf(M):

. (4.4)

Из полученного уравнения видно, что вид механической характеристики зависит от напряжения на якоре, магнитного потока главных полюсов и результирующего сопротивления цепи якоря R_r_aR_рег.

Характер зависимости магнитного потока главных полюсов от нагрузки определяется типом возбуждения двигателя постоянного тока. При параллельном возбуждении обмотка возбуждения получает питание от внешнего источника так же, как и при независимом, поэтому вид механических характеристик для этих типов возбуждения аналогичен. При регулировании частоты вращения двигатель параллельного возбуждения часто включают по схеме независимого возбуждения. В лабораторной установке используется именно такое включение двигателя.

Если пренебречь размагничивающим действием поперечной реакции якоря, то при параллельном возбуждении и Uconst магнитный поток главных полюсов const. При этих условиях согласно полученному уравнению (4.4) зависимость nf(M) для двигателя параллельного возбуждения будет являться прямой, наклоненной к оси абсцисс (рис. 4.2).

Регулирование частоты вращения двигателей независимого возбуждения. Из уравнения (4.4) видно, что частоту вращения можно регулировать изменением следующих параметров: напряжения на якоре, магнитного потока главных полюсов и сопротивления цепи якоря. На рис. 4.2 представлены семейства механических характеристик при различных способах параметрического регулирования, где 1 – естественная характеристика, 2 и 3 – искусственные. Естественной называется механическая характеристика двигателя при номинальных значениях напряжения якоря и тока возбуждения, соответствующая нормальной схеме включения его обмоток при отсутствии добавочных сопротивлений в цепях.

При идеальном холостом ходе (М0) частота вращения n₀ двигателя, как это следует из уравнения (4.4), прямо пропорциональна напряжению U на якоре и обратно пропорциональна магнитному потоку  главных полюсов:

. (4.5)

Регулирование напряжения на якоре (рис. 4.2,а) влияет на частоту вращения при холостом ходе и, как следствие, приводит к изменению частоты вращения при нагрузке. Напряжение на якоре не должно существенно превышать номинальное значение, поэтому его обычно регулируют в сторону уменьшения (U₃U₂U₁), что приводит к снижению частоты вращения (n₃n₂n₁). Без учета размагничивающего действия поперечной реакции якоря (const) семейство механических характеристик 1…3 – параллельные прямые, так как коэффициент при независимой переменной М в уравнении (4.4) остается постоянным.

Рис. 4.2. Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения при регулировании: а) – напряжения на якоре, б) – тока возбуждения, в) – сопротивления реостата в цепи якоря

Магнитный поток  главных полюсов регулируют током возбуждения. При этом одновременно изменяется и частота вращения холостого хода n₀, и крутизна механической характеристики (рис. 4.2,б). Значительное увеличение магнитного потока невозможно из-за насыщения магнитной цепи, поэтому его регулирование обычно производят в сторону уменьшения (₃₂₁), что при нагрузке сопровождается увеличением тока якоря. В диапазоне малых нагрузок (рис. 4.2,б) это приводит к увеличению частоты вращения (n₃n₂n₁). Можно показать, что при достаточно больших нагрузках, когда падение напряжение в цепи якоря превышает ЭДС (EI_аr_а), уменьшению магнитного потока соответствует уменьшение частоты вращения. Диапазон таких нагрузок более широкий в двигателях небольшой мощности, имеющих относительно большое сопротивление цепи якоря. Однако при больших нагрузках магнитный поток не ослабляют, чтобы ток якоря не превышал номинального значения.

«Якорное» и «полюсное» регулирование частоты вращения достаточно экономично и находит широкое применение. В современных электроприводах оно реализуется путем использования для питания соответствующих цепей регулируемых источников постоянного тока (обычно управляемых полупроводниковых выпрямителей).

Для регулирования сопротивления цепи якоря в нее включают регулировочный реостат. С ростом сопротивления реостата (R_рег3R_рег20) крутизна механической характеристики увеличивается (рис. 4.2,в), так как при const увеличивается коэффициент при независимой переменной М в уравнении (4.4). При этом частота вращения двигателя уменьшается: n₃n₂n₁.

Введение добавочного сопротивления в цепь якоря связано со значительным увеличением потерь в реостате и снижением общего КПД электропривода. Можно привести следующую ориентировочную оценку (без учета потерь в двигателе) для частного случая: при снижении в 2 раза частоты вращения половина потребляемой от источника мощности будет теряться в регулировочном реостате. Поэтому в современных электроприводах реостатное регулирование частоты вращения не применяется.

Изменение направления вращения (реверс) двигателей параллельного и независимого возбуждения выполняют путем изменения полярности подводимого напряжения, обычно на якоре, цепь которого обладает меньшей индуктивностью, чем обмотка возбуждения.